1、学案 8 自感现象与日光灯 学习目标定位 1.能分析通电自感和断电自感现象.2.能写出自感电动势的表达式，知 道自感系数的决定因素.3.了解自感现象中的能量转化.4.了解日光灯的组成以及起辉器和镇 流器的工作原理 1通电导线周围存在磁场，当导线中电流变大时，导线周围各处的磁场都增强，当导 线中电流减小时，导线周围各处的磁场都减弱 2楞次定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化 一、探究日光灯电路 1日光灯电路包括日光灯管、镇流器、起辉器、开关、导线等 2镇流器是一个带铁心的多匝线圈，它可以产生很高的瞬时电压 二、探究自感现象 1物理学中，把由于导体自身的电流发生变化而产生的电磁感
2、应现象，叫做自感现 象自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势 2自感电动势的大小：EL ，其中 L 是自感系数，简称电感自感系数跟线圈的 It 大小、几何形状、有无铁(或磁 )心及匝数等有关单位： 亨利，符号：H. 一、日光灯电路 问题设计 按图 1 所示电路连接日光灯电路，闭合开关，观察日光灯的发光过程，简单叙述其工 作原理 图 1 答案 (1)闭合开关，电源把电压加在起辉器的两极，起辉器内氖气放电产生热量从而 使起辉器内双金属片接触，电路导通 (2)电路接通后，起辉器中氖气停止放电，温度降低，双金属片分离，瞬间切断的电流 使镇流器产生瞬时高压，使灯管内气体导电而发光 (3)日光灯正常发光
3、时，镇流器起降压限流作用，保证日光灯正常工作 要点提炼 1起辉器的作用为自动开关 2镇流器在启动时提供瞬时高压，点燃灯管之后起到降压限流的作用 二、自感现象 问题设计 1通电自感：如图 2 所示，开关 S 闭合的时候两个灯泡的发光情况有什么不同？ 图 2 答案 灯泡 A2 立即正常发光，灯泡 A1 逐渐亮起来 2断电自感：如图 3 所示，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关 图 3 (1)开关断开前后，流过灯泡的电流方向有何关系？ (2)在断开过程中，有时灯泡闪亮一下再熄灭，有时灯泡只会缓慢变暗直至熄灭，请分 析上述两种现象的原因是什么？ 答案 (1)S 闭合时，灯泡 A 中电流向左，S 断开瞬
4、间，灯泡 A 中电流方向向右，所以 开关 S 断开前后，流过灯泡的电流方向相反 (2)在电源断开后灯泡又闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比原 线圈中的电流大要想使灯泡闪亮一下再熄灭，就必须使自感线圈的电阻小于与之并联的 灯泡而当线圈电阻大于灯泡电阻时，灯泡只会延迟一段时间再熄灭 要点提炼 自感现象是指当通过线圈的电流发生变化时，在线圈中引起的电磁感应现象 1当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反； 2当线圈中的电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同； 3自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化，只是延缓 了过程的进行 4断电自感中，
5、若断开开关瞬间，通过灯泡的电流瞬间比断开开关前瞬间大，灯泡会 闪亮一下；若断开开关后，通过灯泡的电流比断开开关前瞬间小，灯泡不会闪亮一下，而 是逐渐变暗(填“会闪亮” 或“不会闪亮”) 三、自感电动势的大小 1自感电动势的大小跟线圈内磁通量变化率和线圈本身的自感特性有关 2自感电动势 E 的表达式：EL . It 3自感系数 L：反映线圈自感特性的电学量线圈的横截面积越大、越长，匝数越多， 它的自感系数就越大有铁心的线圈，其自感系数比没有铁心的大得多 一、日光灯电路的分析 例 1 A 和 L 分别是日光灯的灯管和镇流器，如果按图 4 所示的电路连接，下列关于 日光灯发光情况的叙述中，正确的是(
6、 ) 图 4 A只把 S1 接通， S2、S 3 不接通，日光灯就能正常发光 B把 S1 和 S2 接通后，S 3 不接通，日光灯就能正常发光 CS 3 不接通，接通 S1 和 S2 后再断开 S2，日光灯就能正常发光 D当日光灯正常发光后，再接通 S3，日光灯仍能正常发光 解析 A 选项：只接通 S1，灯管两端不能产生瞬时高压，日光灯不能点燃，A 错误； B 选项：S 1 和 S2 接通，S 2 不断开，日光灯被短路，电压为零，镇流器也不能产生断电 自感电动势，日光灯不能点燃，B 错误； C 选项：S 1 和 S2 接通，再断开 S2，镇流器产生自感电动势，与外加电压一起形成瞬时 高压，使日
7、光灯点燃而正常发光，C 正确； D 选项：日光灯正常发光后，再接通 S3，镇流器被短路，不再起限流和降压作用，加 在灯管两端的电压将达到 220 V，灯管将会烧坏，D 错误 答案 C 二、自感现象的分析 例 2 如图 5 所示，电感线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计， LA、L B 是两个相同的灯泡，且在下列实验中不会烧毁，电阻 R2 阻值约等于 R1 的两倍，则 ( ) 图 5 A闭合开关 S 时，L A、L B 同时达到最亮，且 LB 更亮一些 B闭合开关 S 时，L A、L B 均慢慢亮起来，且 LA 更亮一些 C断开开关 S 时，L A 慢慢熄灭，L B 马上熄灭 D断开开
8、关 S 时，L A 慢慢熄灭，L B 闪亮后才慢慢熄灭 解析 由于灯泡 LA 与线圈 L 串联，灯泡 LB 与电阻 R2 串联，当 S 闭合的瞬间，通过线 圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以 LB 先亮，A 、B 错误； 由于 LA 所在的支路电阻阻值偏小，故稳定时电流大，即 LA 更亮一些， ；当 S 断开的瞬间， 线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，电流从线圈中电流开始减小，即从 IA 减小， 故 LA 慢慢熄灭，L B 闪亮后才慢慢熄灭，C 错误、D 正确 答案 D 思路点拨 (1)分析自感电流的大小时，应注意“L 的自感系数足够大，其直流电阻忽 略不计”这
9、一关键语句； (2)电路接通瞬间，自感线圈相当于断路； (3)电路断开瞬间，回路中电流从 L 中原来的电流开始减小 针对训练 如图 6 所示，L 为一纯电感线圈( 即电阻为零)，L A 是一灯泡，下列说法正 确的是 ( ) 图 6 A开关 S 接通瞬间，无电流通过灯泡 B开关 S 接通后，电路稳定时，无电流通过灯泡 C开关 S 断开瞬间，无电流通过灯泡 D开关 S 接通瞬间，灯泡中有从 a 到 b 的电流，而在开关 S 断开瞬间，灯泡中有从 b 到 a 的电流 答案 BD 解析 开关 S 接通瞬间，灯泡中的电流从 a 到 b，A 错误；线圈由于自感作用，通过 它的电流逐渐增加，开关 S 接通后
10、，电路稳定时，纯电感线圈对电流无阻碍作用，将灯泡 短路，灯泡中无电流通过，B 正确；开关 S 断开的瞬间，由于线圈的自感作用，线圈中原 有向右的电流将逐渐减小，线圈与灯泡形成回路，故灯泡中有从 b 到 a 的瞬间电流，C 错 误，D 正确 三、自感现象的图像问题 例 3 如图 7 所示的电路中，S 闭合且稳定后流过电感线圈的电流是 2 A，流过灯泡 的电流是 1 A，现将 S 突然断开，S 断开前后，能正确反映流过灯泡的电流 i 随时间 t 变化 关系的图像是( ) 图 7 解析 开关 S 断开前，通过灯泡 D 的电流是稳定的，其值为 1 A开关 S 断开瞬间， 自感线圈的支路由于自感现象会产
11、生与线圈中原电流方向相同的感应电动势，使线圈中的 电流从原来的 2 A 逐渐减小，方向不变，且同灯泡 D 构成回路，通过灯泡 D 的电流和线圈 L 中的电流相同，也应该是从 2 A 逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡 D 的电流方向 相反，D 对 答案 D Error! 1(对自感现象的理解)关于自感现象，下列说法正确的是 ( ) A感应电流一定和原来的电流方向相反 自感 现象 与日 光灯 B对于同一线圈，当电流变化越大时，线圈产生的自感电动势也越大 C对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈的自感系数也越大 D对于同一线圈，当电流变化越快时，线圈中的自感电动势也越大 答案 D 解析 当电流增大
12、时，感应电流的方向与原来的电流相反，当电流减小时，感应电流 的方向与原来的电流相同，故选项 A 错误；自感电动势的大小，与电流变化快慢有关，与 电流变化大小无关，故选项 B 错误，D 正确；自感系数只取决于线圈本身的因素，与电流 变化情况无关故选项 C 错误 2(自感现象的分析)如图 8 所示电路中， 、 是两只相同的电流表，电感线圈 L 的 直流电阻与电阻 R 阻值相等下面判断正确的是( ) 图 8 A开关 S 接通的瞬间，电流表 的读数大于 的读数 B开关 S 接通的瞬间，电流表 的读数小于 的读数 C开关 S 接通，电路稳定后再断开的瞬间，电流表 的读数大于 的读数 D开关 S 接通，电
13、路稳定后再断开的瞬间，电流表 的读数等于 的读数 答案 BD 3(日光灯电路的分析)关于日光灯电路，下列说法正确的是 ( ) A起辉器在电路中起自动开关作用 B正常使用时镇流器不起作用 C如果把日光灯灯管两端的电极分别短路，日光灯仍能正常发光 D如果日光灯在正常发光时，把启动器取走，日光灯仍能正常发光 答案 AD 解析 起辉器起到自动开关作用，配合镇流器产生瞬时高电压启动灯管日光灯正常 发光时，起辉器可以取走而镇流器在日光灯正常工作时起降压限流作用，不能取出灯 管两极短路后，日光灯将不能正常发光，故 A、D 项正确 4(自感现象的图像问题)在如图 9 所示的电路中，S 是闭合的，此时流过线圈
14、L 的电 流为 i1，流过灯泡 A 的电流为 i2，且 i1i 2，在 t1 时刻将 S 断开，那么流过灯泡 A 的电流 随时间变化的图像是下图中的 ( ) 图 9 答案 D 解析 在 0t 1 时间内流过灯泡的电流为 i2，且方向为从左向右，当断开 S 时，i 2 立即 消失，但由于自感作用，i 1 并不立刻消失，而是产生自感电动势，与灯泡构成回路缓慢消 失，此时流过灯泡的电流从 i1 开始逐渐减小，方向为从右向左，故 D 正确故选 D. 题组一 日光灯电路的分析 1如图 1 为日光灯电路，关于该电路，以下说法中正确的是( ) 图 1 A启动过程中，起辉器断开瞬间镇流器 L 产生瞬时高电压
15、B日光灯正常发光后，镇流器 L 使灯管两端电压低于电源电压 C日光灯正常发光后起辉器是导通的 D图中的电源可以是交流电源，也可以是直流电源 答案 AB 解析 日光灯是高压启动，低压工作的启动时，起辉器断开，镇流器产生瞬时高压， 正常发光后，镇流器起限流的作用，而此时起辉器是断开的；镇流器只对交流电起作用， 由此可知，A、B 正确 2如图 2 所示的四个日光灯的接线图中，S 1 为起辉器，S 2 为电键，L 为镇流器，能使 日光灯正常发光的是( ) 图 2 A B C D 答案 A 解析 日光灯工作时，电流通过镇流器、灯丝，电源和起辉器形成回路，使起辉器发 出辉光，相当于起辉器短路接通，同时电流
16、加热灯丝，灯丝发射电子，镇流器起控制加热 电流的作用；之后起辉器断开瞬间，镇流器产生很大的自感电动势，出现一个高电压加在 灯管两端，灯管中的气体导电、发光，此时起辉器已无作用所以起辉器可用手动的开关 来代替( 实际操作时，当起辉器丢失或损坏时，可手持带绝缘皮的导线短接起辉器然后再断 开)，所以 A 项正确；中，当起辉器两金属片断开时，镇流器产生的瞬时高压不能加在 灯管上，故错；中，当动、静触片分开后，灯管和电源分开，故错 3家用日光灯电路如图 3 所示，S 为起辉器，A 为灯管，L 为镇流器，关于日光灯的 工作原理下列说法正确的是( ) 图 3 A镇流器的作用是将交流电变为直流电 B在日光灯的
17、启动阶段，镇流器能提供一个瞬时高压，使灯管开始工作 C日光灯正常发光时，起辉器中的两个触片是分离的 D日光灯发出柔和的白光是由汞原子受到激发后直接辐射的 答案 BC 解析 镇流器是一个自感系数很大的线圈，当流经线圈的电流发生变化时能产生很大 的自感电动势，阻碍电流的变化，在日光灯启动时，镇流器提供一个瞬时高压使其工作； 在日光灯正常工作时，自感电动势与原电压相反，镇流器起着降压限流的作用，此时起辉 器的两个触片是分离的，当灯管内的汞蒸气被激发时能产生紫外线，涂在灯管内壁的荧光 物质在紫外线的照射下发出可见光 题组二 自感现象的分析 4关于线圈的自感系数，下面说法正确的是( ) A线圈的自感系数
18、越大，自感电动势就一定越大 B线圈中电流等于零时，自感系数也等于零 C线圈中电流变化越快，自感系数越大 D线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁心决定 答案 D 解析 自感系数是由线圈的大小、形状、圈数、有无铁心等因素决定的，故 B、C 错， D 对；自感电动势不仅与自感系数有关，还与电流变化快慢有关，故 A 错 5如图 4 所示，L 为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡 A 正常发光，当断开开 关 S 的瞬间会有 ( ) 图 4 A灯 A 立即熄灭 B灯 A 慢慢熄灭 C灯 A 突然闪亮一下再慢慢熄灭 D灯 A 突然闪亮一下再突然熄灭 答案 A 解析 当开关 S 断开时，由于通过自感线圈的
19、电流从有变到零，线圈将产生自感电动 势，但由于线圈 L 与灯 A 串联，在 S 断开瞬间，不能形成闭合回路，因此灯 A 在开关断 开瞬间，立即熄灭 6.如图 5 所示，两个电阻阻值均为 R，电感线圈 L 的电阻及电池内阻均可忽略不计，S 原来断开，电路中电流 I0 ，现将 S 闭合，于是电路中产生了自感电动势，此自感电动 E2R 势的作用是 ( ) 图 5 A使电路的电流减小，最后由 I0 减小到零 B有阻碍电流增大的作用，最后电流小于 I0 C有阻碍电流增大的作用，因而电流总保持不变 D有阻碍电流增大的作用，但电流最后还是变为 2I0 答案 D 解析 S 闭合，电路中电阻减小，电流增大，线圈
20、产生的自感电动势的作用是阻碍原 电流的增大，A 错；阻碍电流增大，不是不让电流增大，而是让电流增大的速度变慢， B、C 错；最后达到稳定时，电路中电流为 I 2I 0，故 D 正确 ER 7.如图 6 所示的电路中，线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽略不计，A、B 是两 个相同的灯泡，下列说法中正确的是( ) 图 6 AS 闭合后， A、B 同时发光且亮度不变 BS 闭合后，A 立即发光，然后又逐渐熄灭 CS 断开的瞬间，A、B 同时熄灭 DS 断开的瞬间， A 再次发光，然后又逐渐熄灭 答案 BD 解析 线圈对变化的电流有阻碍作用，开关接通时，A 、B 串联， 同时发光，但电流 稳定后
21、线圈的直流电阻忽略不计，使 A 被短路，所以 A 错误，B 正确；开关断开时，线圈 产生自感电动势，与 A 构成回路， A 再次发光，然后又逐渐熄灭，所以 C 错误，D 正确 8如图 7 所示，甲、乙电路中电阻 R 和自感线圈 L 的电阻都很小接通 S，使电路达 到稳定，灯泡 A 发光，则 ( ) 图 7 A在电路甲中，断开 S，A 将逐渐变暗 B在电路甲中，断开 S，A 将先变得更亮，然后渐渐变暗 C在电路乙中，断开 S，A 将逐渐变暗 D在电路乙中，断开 S，A 将先变得更亮，然后渐渐变暗 答案 AD 解析 题图甲中，A 与电感线圈 L 在同一个支路中，流过的电流相同，断开开关 S 时，
22、线圈 L 中的自感电动势要维持原电流不变，所以开关断开的瞬间，A 的电流不变，以后电 流渐渐变小因此，A 渐渐变暗题图乙中， A 所在支路的电流比电感线圈所在支路的电 流要小( 因为电感线圈的电阻很小 )，断开开关 S 时，电感线圈的自感电动势要阻碍电流的 变小，此瞬间电感线圈中的电流不变，电感线圈相当于一个电源给 A 供电因此，反向流 过 A 的电流瞬间要变大，然后渐渐变小，所以 A 将先闪亮一下，然后渐渐变暗 9.在制作精密电阻时，为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象，采取了 双线绕法，如图 8 所示，其道理是( ) 图 8 A当电路中的电流变化时，两股导线中产生的自感电动势相互
23、抵消 B当电路中的电流变化时，两股导线中产生的感应电流互相抵消 C当电路中的电流变化时，两股导线中产生的磁通量互相抵消 D当电路中的电流变化时，电流的变化量相互抵消 答案 C 解析 能否有感应电动势，关键在于穿过回路的磁通量是否变化由于导线是双线绕 法，使穿过回路的磁通量等于零，无论通过的电流变化与否，磁通量均为零不变，所以不 存在感应电动势和感应电流 题组三 自感现象的图像问题 10在如图 9 所示的电路中，两个相同的小灯泡 L1 和 L2 分别串联一个带铁心的电感 线圈 L 和一个滑动变阻器 R.闭合开关 S 后，调节 R，使 L1 和 L2 发光的亮度一样，此时流 过两个灯泡的电流均为
24、I.然后，断开 S.若 t时刻再闭合 S，则在 t前后的一小段时间内， 能正确反映流过 L1 的电流 i1、流过 L2 的电流 i2 随时间 t 变化的图像是( ) 图 9 答案 B 解析 与滑动变阻器 R 串联的 L2，不受自感影响，直接变亮，电流变化图像如 A 中图 线，C 、 D 错误与带铁心的电感线圈串联的 L1，由于自感，电流逐渐变大，A 错误，B 正确 11.如图 10 所示的电路中，电源的电动势为 E，内阻为 r，电感 L 的电阻不计，电阻 R 的阻值大于灯泡 D 的阻值，在 t0 时刻闭合开关 S，经过一段时间后，在 tt 1 时刻断开 S，下列表示 A、B 两点间电压 UAB
25、随时间 t 变化的图像中，正确的是( ) 图 10 答案 B 解析 在 t0 时刻闭合开关 S，由于电感线圈 L 产生自感电动势，阻碍电流通过，电 源输出电流较小，路端电压较高，经过一段时间电路稳定后，电源输出电流较大，路端电 压较低在 tt 1 时刻断开 S，电感线圈 L 产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡 D 中有反向电流通过，所以表示 A、B 两点间电压 UAB随时间 t 变化的图像中正确的是 B. 12.如图 11 所示，电源的电动势为 E10 V，内阻不计，L 与 R 的电阻值均为 5 ，两 灯泡的电阻值均为 RS10 . 图 11 (1)求断开 S 的瞬间，灯泡 L1 两端的
26、电压； (2)定性画出断开 S 前后一段时间内通过 L1 的电流随时间的变化规律 答案 (1)10 V (2)见解析图 解析 (1)电路稳定工作时，由于 a、b 两点的电势相等，导线 ab 上无电流通过因此 通过 L 的电流为 IL A1 A E2R 1010 流过 L1 的电流为 IS A0.5 A E2RS 1020 断开 S 的瞬间，由于线圈要想维持 IL不变，而与 L1 组成闭合回路，因此通过 L1 的最 大电流为 1 A所以此时 L1 两端的电压为 UI LRS10 V(稳定工作时为 5 V) (2)断开 S 前，流过 L1 的电流为 0.5 A 不变，而断开 S 的瞬间，通过 L1 的电流突变为 1 A，且方向也发生变化，然后渐渐减小到零，所以它的图像如图所示( t0 为断开 S 的时刻) 注：从 t0 开始，电流持续的时间实际上一般是很短的
